i EXPERIMENTAL ANALYSIS OF 3-D SWEEPING WINGS A THESIS SUBMITTED TO THE ...

130 Pages·2015·7.57 MB·Turkish

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF 3-D SWEEPING WINGS

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

HASAN ÇAKIR

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN
AEROSPACE ENGINEERING

AUGUST 2015

i
ii
Approval of the thesis:

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF 3-D SWEEPING WINGS

submitted by HASAN ÇAKIR in partial fulfillment of the requirements for the degree
of Master of Science in Aerospace Engineering Department, Middle East
Technical University by,

Prof. Dr. Gülbin Dural Ünver _____________________
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences
Prof. Dr. Ozan Tekinalp _____________________
Head of Department, Aerospace Engineering
Assoc. Prof. Dr. Dilek Funda Kurtuluş _____________________
Supervisor, Aerospace Engineering Dept., METU

Examining Committee Members:
Prof. Dr. Altan Kayran _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU
Assoc. Prof. Dr. Dilek Funda Kurtuluş _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU
Prof. Dr. Yusuf Özyörük _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU
Asst. Prof. Dr. A.Türker Kutay _____________________
Aerospace Engineering Dept., METU
Asst. Prof. Dr. K. Bilge Arıkan _____________________
Mechatronics Engineering Dept., ATU

Date: 26.08.2015
iii
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all
material and results that are not original to this work.

Name, Last name : Hasan ÇAKIR

Signature :

iv
ABSTRACT

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF 3-D SWEEPING WINGS

Çakır, Hasan
M.S., Department of Aerospace Engineering
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Dilek Funda Kurtuluş

August 2015, 108 pages

The aim of this thesis is to modify the mechanism, which is capable of mimicking the
insect flight and developed previously by the Aerospace Engineering Department, and
to measure the forces and moments of three types of flapping wings fixed to this
mechanism. The flapping wing design is a new research topic, comparably young area
and can be the future for micro unmanned air vehicles. Time varying force and moment
data obtained from the experiments conducted in water as part of this thesis can be
used to determine which wing geometry can be chosen for different pitch and sweep
angles. A sensor measuring even very small forces and moments simultaneously in 3
axis is employed in this mechanism. Before the experiments, various birds and
mechanisms are investigated and a bird wing geometry has been chosen to compare
its aerodynamic features with the other geometries. Furthermore, in order to improve
the mechanism and to find out the best mechanism mimicking the hummingbird flight,
various test setups was studied. A connector has been designed between the
mechanism and the sensor in order to minimize errors. And also this connector let us
measure the pitch angle precisely whereas the old mechanism was able to measure
only an approximate pitch angle. Additionally a roller bearing has been located at the
center of the gear in order to transfer the power efficiently. A program which is called
as “Wing-Sim” is used to control motor drivers and wings. Totally, 21 cases has been
v
performed with three type of wings whose names are Flat Plate, Hummingbird and
Zimmermann. The period of each case is 10 seconds and every cases have 50 periods.
The wings have approximately the same size with each other which are 26 cm span,
7.9 cm chord and 3 mm thickness. Moreover, experimental uncertainties associated
with low level fluid dynamic force measurements are addressed in this study. A drastic
increase in drag force is observed after 30º pitch angle while lift force is not changed.
The most efficient wing is the Zimmermann with its high L/D ratios.
Keywords: Flapping Wing Mechanism, Water Tank Experiments, Unsteady
Aerodynamics, Force Measurement, Micro Air Vehicles

vi
ÖZ

ÜÇ BOYUTLU SÜPÜRME HAREKETİ YAPAN KANATLARIN
DENEYSEL ANALİZİ

Çakır, Hasan
Yüksek Lisans, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Dilek Funda Kurtuluş

Ağustos 2015, 108 sayfa

Bu tezin amacı, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü tarafından daha önce
üretilmiş olan ve böcek uçuşunu taklit edebilen mekanizmayı geliştirmek ve bu
mekanizmaya sabitlenmiş olan 3 tip kanat üzerinde oluşan kuvvet ve momentlerin
ölçümünü sağlamaktır. Çırpan kanat tasarımı gelişen bir araştırma konusu, diğer
konulara nazaran yeni bir alan ve insansız hava araçlarının geleceği olabilecek bir
çalışmadır. Bu tez kapsamında suda gerçekleştirilen deneylerden elde edilen ve
zamana bağlı olarak değişen kuvvet ve moment dataları, değişik hücum ve sapma
açılarında hangi profilin kullanılabileceği hakkında fikir sahibi olmak için
kullanılabilir. Söz konusu mekanizmada, anlık olarak üç eksende çok küçük kuvvet ve
momentleri bile ölçebilen bir sensor kullanılmıştır. Deneylere başlamadan önce çeşitli
sinek kuşu türleri incelenmiş ve diğer iki kanatla aerodinamik özelliklerini
karşılaştırmak üzere bir adet sinek kuşu kanat seçilmiştir. Ayrıca mekanizmayı daha
da geliştirmek ve sinek kuşunun uçuşunu en iyi taklit edebilecek mekanizmayı bulmak
amacıyla çeşitli deney düzenekleri incelenmiştir. Mekanizma ve sensor arasındaki
yerleşimden kaynaklanabilecek sorunları en aza indirmek amacıyla bir bağlantı parçası
tasarlanıp üretilmiştir. Ayrıca yunuslama açısı daha önceki deneylerde yaklaşık olarak
ölçülebiliyorken üretilen bu bağlantı parçası sayesinde daha net bir şekilde
ölçülebilmiştir. Bunlara ek olarak, bir dişlinin ortasına rulman eklenerek güç
vii
transferinin daha rahat yapılması sağlanmıştır. “Wing-Sim” adındaki programla motor
sürücüleri ve kanatların kontrolü sağlanmıştır. Düz Plaka, Sinek Kuşu ve
Zimmermann isimli kanatlar ile toplamda 21 deney yapılmıştır. Her bir deneyin
periyodu 10 saniye olup ve her deneyde toplam 50 periyot vardır. Söz konusu kanatlar
yaklaşık olarak aynı ölçülere sahiptir ve ölçüleri 26 cm açıklık, 7.9 cm veter ve 3 mm
kalınlık şeklindedir. İlave olarak, akışkan dinamik kuvvetlerinin düşük seviyede
olmasından kaynaklanan, deneysel belirsizliklerin analizleri yapılmıştır.
30º yunuslama açısından sonra sürükleme kuvvetinde açıkça bir artış görülürken,
taşıma kuvvetinde bir artış gözlenmemiştir. En verimli kanat, yüksek L/D oranları
sebebiyle Zimmermann isimli kanattır.
Anahtar Kelimeler: Çırpan Kanat Mekanizması, Su Tankı Deneyleri, Zamana Bağlı
Aerodinamik, Kuvvet Ölçümü, Mikro Hava Aracı

viii
to my parents…

ix
ACKNOWLEDGMENTS

I would like to express my deep and sincere gratitude to my supervisor Assoc. Prof.
Dr. Dilek Funda Kurtuluş for her invaluable kindness, patience, academic experience
and knowledge at all steps of this study. I could not be able to complete this study
without her support, energy and enthusiasm.

I would also like to thank my jury members Prof. Dr. Altan Kayran, Prof. Dr. Yusuf
Özyörük, Asst. Prof. Dr. Ali Türker Kutay, Asst. Prof. Dr. Kutluk Bilge Arıkan and
my older sister Assoc. Prof. Dr. Sevgi Demirel for reviewing my thesis.

I would especially like to thank Capt. Ebubekir Teke, Lt.Col. Altay Duman, 1st Lt.
Buğra Büyükyavuz, Lt.Col. Ünal Ünver and Col. Ersin Göse for their deep tolerance
during my Master Education. Moreover, I would like to thank my friends F. Yudum
Çömez and M. Gülay Şenol for helping me to make my experiments.

Lastly, but most importantly, I would like to express my eternal gratitude to my family
for their love, support and encouragement throughout my life.

This study was supported by 213M327 TUBITAK project and TUBA GEBIP Award
2012-18.

x